Des observations menées avec le télescope spatial Hubble concernant deux amas globulaires en orbite autour de la Voie lactée suggèrent que les naines blanches pourraient continuer à brûler de l'hydrogène dans les dernières étapes de leur vie, les faisant paraître plus jeunes qu'elles ne le sont en réalité. Cette découverte pourrait avoir des conséquences sur la façon dont les astronomes mesurent l'âge des amas d'étoiles et donc établissent des chronologies avec les galaxies.
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Comme Futura l'a expliqué dans de précédents articles dont nous reprenons une partie du contenu, les astronomesastronomes ont fait la découverte des naines blanches au XVIIIe siècle, malgré leur faible luminositéluminosité, et ils ignoraient alors à quel point ces astres étaient exotiquesexotiques. Ils ont commencé à s'en rendre compte au tout début du XXe siècle avec la détermination de l'extraordinaire densité des naines blanches. À la stupéfaction des astrophysiciensastrophysiciens de l'époque, une valeur de l'ordre de la tonne par centimètre cube fut en effet dérivée de l'observation d'étoiles comme SiriusSirius B.
Rapidement cependant, le physicienphysicien britannique Ralph Fowler comprit que la toute nouvelle mécanique statistique quantique découverte par son collègue Paul DiracPaul Dirac à la fin des années 1920 (qui a prédit théoriquement l'existence de l'antimatière à la même époque), décrivant un gaz d'électronsélectrons dégénéré dans le jargon des physiciens, pouvait expliquer l'existence de ces étoiles. Ce gaz pouvait exercer une pressionpression suffisamment importante pour résister à celle causée par la gravitationgravitation d'une étoile aussi dense que les naines blanches.
Reprenant les travaux de Fowler, le tout jeune astrophysicien Subrahmanyan Chandrasekhar (âgé alors de 20 ans) eut l'idée d'introduire les effets de la théorie de la relativité restreinterelativité restreinte et il posa les fondations de la structure stellaire de ces étranges objets. Il arriva ainsi à une conclusion devenue célèbre, il ne peut pas exister d'étoiles de massesmasses supérieures à environ 1,4 masse solaire devenue une naine blanche. C'est la fameuse limite de Chandrasekharlimite de Chandrasekhar.
Extrait du documentaire Du Big Bang au Vivant (ECP Productions, 2010), Jean-Pierre Luminet parle de l'évolution des étoiles de type solaire, leur transformation en géantes rouges puis en naines blanches. © Jean-Pierre Luminet
Les naines blanches, la masse du Soleil dans le volume de la Terre
Les progrès observationnels permirent simultanément de découvrir plusieurs types de naines blanches, différant par la composition chimique de leurs atmosphèresatmosphères. On détermina finalement que les naines blanches sont l'étape finale de l'évolution des étoiles, contenant au maximum environ 8 masses solaires quand elles ont épuisé leur carburant. Les réactions thermonucléaires n'existant plus et ne libérant plus un flot de photonsphotons dont la pression s'équilibre avec celle de la gravitégravité, c'est la pression de la matièrematière dégénérée qui s'oppose à l'effondrementeffondrement de ces étoiles en trous noirstrous noirs.
Elles peuvent alors rassembler la masse du SoleilSoleil dans un volumevolume de la taille de la Terre. Il s'agit donc d'astres très denses et qui se refroidissent très lentement.
Elles ont été étudiées par nombre de grands théoriciens de l'astrophysiqueastrophysique vers le milieu du siècle dernier, par exemple Evry Schatzman, qui avec les progrès de l'astrophysique nucléaire d'après-guerre, ont démontré que l'essentiel d'une naine blanche devait être constitué de noyaux de carbonecarbone et d'oxygèneoxygène baignant dans un gaz dégénéré d'électrons relativistes. Mais, c'est au cours des années 1960 que divers astrophysiciens théoriciens, dont Edwin Salpeter en 1961, ont réalisé que le cœur d'une naine blanche devait assez rapidement se transformer en un immense réseau cristallinréseau cristallin de noyaux de carbone et d'oxygène.
Une part importante du volume d'une naine blanche devait ainsi ressembler à une sorte de diamantdiamant géant, comme l'explique Jean-Pierre LuminetJean-Pierre Luminet dans la vidéo ci-dessus, bien que la structure cristalline obtenue avec le carbone ne soit pas exactement celle du diamant sur Terre.
Cette théorie a été précisée par Hugh M. Van Horn en 1967, ce qui l'a conduit à la conclusion que le processus de cristallisation devait se produire sur la base d'une théorie déjà avancée en 1934 par le grand physicien Eugène Wigner. En fin de vie, une étoile comme le Soleil devrait donc se transformer en naine blanche qui en se refroidissant deviendra un cristal de Wigner, un objet que l'on rencontre aussi en physiquephysique du solidesolide.
Des enveloppes d'hydrogène qui brûlent encore
Les naines blanches sont donc considérées comme des cadavres stellaires inertes se refroidissant lentement. Or il existe toute une théorie reliant la masse, le rayon, la température et la composition d'une naine blanche. Elle prédit une loi de refroidissement et donc d'évolution de sa température et de sa luminosité au cours du temps. En étudiant la composition de l'atmosphère d'une naine blanche et connaissant certains des paramètres précédents, on peut donc calculer l'âge d'une naine blanche. C'est un outil important pour faire de l'archéologie galactique et dater en particulier les amas globulairesamas globulaires autour des galaxiesgalaxies qui contiennent beaucoup de vieilles étoiles et qui ont dû se former en même temps ou presque pour chacun de ces amas.
Les astrophysiciens étudient donc les amas globulaires et en particulier ceux de la Voie lactéeVoie lactée depuis longtemps au moyen notamment de leurs contenus en naines blanches. Voilà qu'une équipe de chercheurs vient d'annoncer une découverte intéressante à ce sujet via un article publié dans Nature Astronomy et que l'on peut lire en accès libre sur arXiv.
Tout est parti d'études dans le domaine du rayonnement ultravioletultraviolet au moyen des instruments équipant le télescope spatial Hubbletélescope spatial Hubble dont le regard avait été tourné en direction des amas globulaires M3M3 et M13M13. Ce dernier n'est autre que l'amas d'Hercule, rendu célèbre parce qu'on a envoyé dans sa direction le fameux message d’Arecibo à destination d'éventuelles civilisations extraterrestres.
Les amas globulaires M3 et M13 partagent de nombreuses propriétés physiques telles que l'âge et la métallicitémétallicité, c'est-à-dire le contenu en élément plus lourds que l'hydrogènehydrogène et l'héliumhélium. Le nom métallicité vient du fait qu'en astrophysique on qualifie de métauxmétaux tous les éléments chimiqueséléments chimiques plus « lourds » que ces deux derniers éléments. La métallicité est un indicateur de l'évolution chimique par nucléosynthèsenucléosynthèse stellaire à partir de l'hydrogène et de l'hélium du Big BangBig Bang.
Mais les astrophysiciens ont des surprises en comparant plus de 700 naines blanches dans les deux amas.
Les étoiles mourantes pourraient-elles détenir le secret pour paraître plus jeune ? Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ESA/Hubble, ESA, Nasa, N. Bartmann, G. Piotto et al., Nasa's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab, Nasa’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR)
Ils ont découvert que M3 contient des naines blanches standard qui refroidissent en accord avec nos conceptions précédentes de la structure et de l'évolution stellaires.
L'amas d'Hercule, en revanche, contient deux populations de naines blanches : les naines blanches standard et celles qui ont manifestement réussi à conserver une enveloppe externe d'hydrogène entourant un cœur de matière dégénérée. Cette enveloppe était visiblement le siège de réactions thermonucléaires stables et pas catastrophiques et explosives, comme c'est le cas pour les naines blanches dans des systèmes binairessystèmes binaires accrétant de la matière d'une étoile compagne au point de se transformer en novae, voire en supernovae SN Ia.
Ces naines blanches apparaissent donc comme plus chaudes et surtout moins âgées qu'on pourrait naïvement le croire avec un modèle stellaire classique pour une naine blanche. En comparant leurs observations avec des simulations informatiquessimulations informatiques de l'évolution stellaire de M13, les astrophysiciens en ont déduit qu'environ 70 % des naines blanches de M13 brûlent de l'hydrogène à leur surface, ralentissant ainsi leur vitessevitesse de refroidissement.
Cette découverte pourrait avoir des conséquences sur la façon dont les astronomes mesurent l'âge des étoiles de la Voie lactée, et in fine des amas globulaires en introduisant un biais et une erreur de datation qui pourrait aller jusqu'à 1 milliard d'années. De quoi revoir des chronologies dans le domaine de l'archéologie galactique, comme on l'a dit précédemment.
